引言

接觸網是電氣化軌道交通中所特有的沿軌道線路上空架設的一種特殊形式的輸電線路,其目的主要是為電力機車提供可靠、不間斷的電能,是現(xiàn)代電氣化軌道交通牽引供變電系統(tǒng)的重要構成部分。電力機車通過自身車頂?shù)氖茈姽徒佑|網接觸線的良好接觸來獲得電能并產生動力來源,其受流質量時刻受到接觸網接觸線運行狀態(tài)的影響。要想保持接觸網運行狀態(tài)良好,除了嚴格要求接觸懸掛的設計、施工及鐵路線路的運營以外,對接觸網狀態(tài)進行周期性的一系列檢測與記錄也是極其重要的環(huán)節(jié)。接觸網參數(shù)智能檢測系統(tǒng)結合了激光掃描儀、測速裝置和筆記本電腦,通過編程處理實現(xiàn)相關幾何參數(shù)的非接觸式采集、采樣點定位和數(shù)據(jù)處理,以獲得接觸網的各個幾何參數(shù),經試驗該裝置能有效提高接觸網幾何參數(shù)的檢測精度,測量精度達到士10mm。該設備安裝在機車車頂或采用手推式機械方式實現(xiàn)對接觸網參數(shù)的不間斷連續(xù)測量,可以有效降低工作人員的勞動強度,提升測量精度和工作效率,解決了目前高速鐵路夜間作業(yè)和傳統(tǒng)量測、目測工作存在的實際問題。

1接觸網幾何參數(shù)檢測方法

接觸網幾何參數(shù)檢測方法包括接觸式檢測和非接觸式檢測。接觸式檢測是一種直接將檢測裝置與接觸線接觸測量的方式,傳統(tǒng)的接觸式檢測方法具有較大的應用缺陷:(1)效率低,許多參數(shù)不能直接獲得,需要進行一些轉換:(2)安全系數(shù)低,工人在高壓環(huán)境下工作,需要安全防護,風險高:(3)檢測精度低,容易受到環(huán)境因素(絕緣桿自重、風、濕度等)的影響。從現(xiàn)代角度來說,這種方法顯然不能滿足工程要求。

非接觸式檢測方法分為基于激光掃描的測量、基于超聲波原理的測量以及基于圖像處理的測量。其中,基于超聲波原理的非接觸式檢測方案中,超聲波受到溫度、濕度以及大氣壓等環(huán)境因素對檢測結果的影響較大,設備老化程度較快:基于圖像處理的非接觸式檢測方案中,對攝像元件和高壓隔離電路的絕緣要求高,且有效信息提取、處理的算法復雜。相對前兩者而言,基于激光掃描檢測的方案受影響因素更小,在實際應用中,算法相對成熟可行。為了方便接觸網工作業(yè),本文從國內外接觸網幾何參數(shù)的眾多檢測方案中,優(yōu)先選擇基于激光掃描處理的非接觸式檢測方案來設計接觸網檢測系統(tǒng)。

2導高和拉出值的計算原理

導高是接觸線到軌平面的垂直距離,拉出值是接觸線到受電弓中心的水平距離,導高和拉出值是接觸網檢測的核心參數(shù),其計算原理如圖1所示。

圖1接觸網參數(shù)計算原理

根據(jù)導高的定義及計算原理圖可知,接觸網導高的計算公式如下:

式中,Hj表示導高(mm):H0表示激光掃描儀激光源距離鐵軌表面的距離(mm):h表示激光源距離接觸線的垂直距離(mm):s表示激光源距離接觸線的距離(mm):α表示接觸線相對于激光掃描儀起始掃描角的角度(О)。

拉出值的合理設置能夠避免因此造成的各種弓網事故,所以對拉出值進行物理分析就顯得尤為重要。拉出值計算公式如下:

式中,a表示拉出值(mm),正值表示位于線路中心線的左側,負值表示位于線路中心線的右側:s表示激光源距離接觸線的距離(mm):α表示接觸線與激光源掃描起始角的角度(О)。

3檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

檢測系統(tǒng)總體結構如圖2所示。接觸網參數(shù)智能檢測系統(tǒng)由檢測裝置和檢測軟件構成。檢測裝置包括各種傳感器,以及負責預處理數(shù)據(jù)的中轉服務器,在通過數(shù)據(jù)線交由筆記本進行處理,并反饋信息。

3.1檢測裝置設計

該檢測裝置如圖3所示,設計了便攜式車體,機械車體可做簡單折疊,并和檢測電腦分開存放和攜帶。在材料上進行了輕量化設計,車體采用航空鋁材分體式設計,車身重量較輕,且包括推行把手在內的推行裝置固定端均可折疊,使其可迅速切換作業(yè)和非作業(yè)工作狀態(tài)。

3.2檢測軟件設計

該裝置系統(tǒng)軟件層的通信采用接口通過數(shù)據(jù)線與裝有windows系統(tǒng)的筆記本電腦進行連接并接收,其功能分為以下幾部分:(1)初始掃描參數(shù)設置:(2)實時數(shù)據(jù)顯示:(3)動態(tài)圖像繪制:(4)數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫中便于讀取、處理。在系統(tǒng)開始工作前,可以設定初始參數(shù),包括激光源離軌道平面距離、激光掃描范圍、公里標初始值、數(shù)據(jù)采集間隔、激光源距離接觸線的縱向距離等。通過設定以上數(shù)據(jù),可以減少一些冗雜數(shù)據(jù),為使數(shù)據(jù)更加精確,在繪圖時采用取平均值的方法使誤差進一步減小,最后以公里標為基量繪制出導高、拉出值、速度,并實時顯示所測得數(shù)據(jù),如圖4所示。

3.3系統(tǒng)調試及結果分析

在進行現(xiàn)場調試時,采用了目前接觸網檢測最常用的設備(DJJ78激光多功能接觸線檢測儀)進行設備的精度校準測試,如圖5所示。

從接觸網施工同步檢測裝置與DJJ78激光測量儀的測量結果(表1)對比來看,測量誤差約為-10mm,滿足工程要求。在接下來的研發(fā)工作中,可以通過傳感器補償及濾波算法來提高測量精度。

4結語

為方便接觸網幾何參數(shù)的檢測,本文設計了便攜式接觸網參數(shù)智能檢測裝置,車體采用航空鋁材分體式設計,車身重量較輕,包括推行把手在內的推行裝置固定端可折疊,使其可迅速切換作業(yè)和非作業(yè)工作狀態(tài),方便生產,且實用、耐用。與現(xiàn)有常用的非接觸式檢測設備(DJJ-8激光多功能接觸線檢測儀)相比,本文研發(fā)的檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了接觸網參數(shù)的連續(xù)(不間斷)測量,且終端的多樣化大大提高了本系統(tǒng)的應用范圍。接觸網參數(shù)智能檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了檢測的機械化、自動化、智能化,提高了工作效率,具有良好的經濟和社會效益,應用前景廣闊。